Considérations relatives à l'utilisation de contacteurs de dérivation avec des entraînements à fréquence variable (EFV)

Les techniciens de l'industrie trouvent sans cesse de nouvelles applications qui tirent parti des variateurs de fréquence (VFD), qui permettent aux utilisateurs d'adapter ou de modifier leur processus afin d'obtenir un résultat plus efficace, généralement en termes de production.

Prenons l'exemple d'un convoyeur simple qui achemine un produit vers une machine d'emballage ou un palettiseur. Sans variateurs de fréquence, ce processus sera soumis à la vitesse de base prédéfinie par le régime du moteur, le rapport de transmission et le diamètre des pignons entraînés. Imaginez ce qui se passerait si la vitesse de tous les moteurs pouvait être augmentée de 10% ou ajustée à la hausse ou à la baisse pour respecter les contraintes de l'équipement en aval.

Dans une autre application, un processus dépendant de la pression ou du débit peut nécessiter qu'un opérateur observe des indicateurs pour démarrer et arrêter une machine et éviter les conditions de sous-vitesse qui nuisent à l'efficacité globale. Un variateur de fréquence connecté à un transducteur utilisé pour la rétroaction PID (proportionnelle, intégrale, dérivée) ajusterait sa propre vitesse en fonction des points de consigne prédéfinis.

De plus, un variateur de fréquence peut offrir les avantages d'un démarrage en douceur, en utilisant une période d'accélération de la vitesse zéro à la plage cible qui réduit les dommages causés aux équipements mécaniques, tels que les boîtes de vitesses et les chaînes. Si un employé est malade ou travaille sur une autre ligne, l'ensemble de la machine peut être ralenti pour s'adapter aux contraintes de la main-d'œuvre restante.

Cependant, lorsqu'on envisage d'utiliser des variateurs de fréquence (VFD), il est également essentiel de tenir compte du rôle du contacteur de dérivation. Ces contacteurs garantissent que le moteur continue de fonctionner à pleine vitesse en cas de défaillance du VFD ou en cas d'urgence. Cet article examine les facteurs qui entrent en jeu pour déterminer si une usine doit (a) passer complètement des contacteurs à démarrage direct aux variateurs de fréquence, ou (b) conserver les deux systèmes, fournissant ainsi un système de secours qui évite un arrêt complet de la production.

Mise en place de variateurs de fréquence et choix du système de secours

L'une des premières étapes pour mettre en œuvre des VFD consiste à dresser la liste des équipements existants alimentés par des moteurs électriques. Ensuite, en collaboration avec les services de maintenance et de production, il convient d'identifier les équipements qui pourraient bénéficier d'une vitesse variable. Notez qu'une ligne de production équipée de plusieurs moteurs peut nécessiter un variateur de fréquence pour chacun d'entre eux. Une augmentation de la production, de l'efficacité et de la disponibilité du retour d'information du moteur concernant le courant, la vitesse et d'autres éléments apportera également des avantages supplémentaires.

Une fois les variateurs de fréquence installés et opérationnels, il peut être souhaitable de disposer d'un système de secours pour les moteurs et les processus qui pourraient rencontrer des problèmes s'ils s'arrêtaient complètement et de manière inattendue. Pour les moteurs qui fonctionnaient auparavant uniquement avec des contacteurs, l'ancien système de commande peut être conservé en cas de défaillance du VFD. Dans les nouveaux systèmes, il peut être nécessaire de réaliser une étude afin de déterminer quels VFD sont essentiels au bon fonctionnement et quel est le meilleur système de secours pour chaque VFD.

Ensuite, il faut définir les paramètres relatifs à la manière et au moment d'activer le passage du mode VFD au mode dérivation et vice versa. Cela peut être aussi simple que de relier un transfert automatique à un relais de défaillance dans le VFD. Une autre option consiste à connecter le relais de défaillance du VFD ou les transducteurs à un PLC, où les paramètres prédéfinis dicteront quand et où effectuer ce changement.

Amélioration de l'opérabilité grâce à des variateurs de fréquence et des systèmes de secours efficaces

En cas de passage automatique du variateur de fréquence (VFD) aux contacteurs de démarrage direct, ce changement peut entraîner des problèmes de qualité du produit et même mettre en danger la sécurité de l'opérateur. Dans ce cas, il peut être utile d'installer des voyants lumineux indiquant qu'un variateur de fréquence a détecté un problème et s'est déconnecté. Une fois alerté par le voyant lumineux, un opérateur ou un technicien de maintenance pourrait analyser la situation, déterminer s'il est sûr et nécessaire de continuer, et transférer manuellement le fonctionnement du variateur de fréquence en mode dérivation.

Le passage à des contacteurs de dérivation peut également entraîner une interruption des processus de production normaux, ce qui affecterait la qualité du produit. Dans ces cas, les ingénieurs de l'usine doivent prédéfinir les niveaux de tolérance du processus pour le produit fini acceptable. Il peut également être important que les opérateurs, le personnel de maintenance ou d'ingénierie sachent que le variateur de fréquence est passé en mode dérivation, afin que la cause du changement puisse être recherchée ou corrigée. Cela peut être réalisé à l'aide de voyants lumineux sur le boîtier du variateur de fréquence, de fenêtres contextuelles sur un écran d'interface machine (IHM) ou de notifications sur les téléphones mobiles.

Dans certains cas, un passage automatique du variateur de fréquence aux contacteurs de démarrage direct peut entraîner des problèmes de qualité, voire compromettre la sécurité de l'opérateur. Dans ces cas, les voyants lumineux peuvent indiquer qu'un variateur de fréquence a détecté un problème et s'est déconnecté. Ces scénarios peuvent nécessiter qu'un opérateur ou un technicien de maintenance analyse la situation, détermine s'il est sûr et nécessaire de continuer et transfère manuellement le fonctionnement du variateur de fréquence en mode dérivation.

Tous les systèmes modifiés pour inclure un mode de dérivation doivent également être testés afin de s'assurer que le plus grand nombre possible de modes de défaillance peuvent être identifiés. Vous devez également vous assurer que ce qui se passe lorsque le variateur de fréquence est déconnecté et remplacé par des contacteurs est clairement défini et compris.

Lorsque des contacteurs de dérivation sont utilisés dans des applications à moteurs multiples avec des variateurs de fréquence (VFD), certains paramètres définissent souvent les modes de commutation. Par exemple, si les points de consigne ne sont pas correctement évalués dans un système CVC lié à la pression, les contacteurs du moteur peuvent s'allumer et s'éteindre, même lorsque le VFD est en fonctionnement. Chaque fois qu'un contacteur moteur se déconnecte, une surtension se produit sur la ligne d'alimentation, ce qui peut endommager les transistors de sortie du VFD et entraîner une défaillance prématurée. Lorsque le même contacteur qui s'est soudainement désactivé se réactive et que le VFD fonctionne à une fréquence plus élevée et plus proche du niveau de tension maximal, le courant instantané généré par le démarrage peut entraîner une surcharge ou une protection contre les courants élevés.

Quel que soit le type de dérivation mis en œuvre, tous les systèmes modifiés pour inclure un mode de dérivation doivent également être testés afin de s'assurer que le plus grand nombre possible de modes de défaillance peuvent être identifiés. Vous devez également vous assurer que ce qui se passe lorsque le VFD est déconnecté et remplacé par des contacteurs est clairement défini et compris.

De plus, en général, il n'est pas recommandé d'activer et de désactiver les contacteurs lorsque le ou les moteurs sont contrôlés et connectés à un variateur de fréquence. Les variateurs de fréquence modernes peuvent être équipés d'une fonction « couple sécurisé » (STO) ou d'une entrée d'activation pouvant être connectée à un contact auxiliaire sur le contacteur de dérivation ou un autre dispositif. Lorsque ces contacteurs sont activés ou qu'un interrupteur de déconnexion est désactivé, le circuit STO ou d'activation du VFD change d'état et permet la mise hors tension appropriée requise pour éviter les faux déclenchements ou assurer la sécurité électrique du personnel. Le « couple sécurisé » et l'activation peuvent être définis différemment par chaque fabricant de VFD, il est donc important de lire le manuel d'instructions et de comprendre le fonctionnement correct et les limites de chacun.

Considérations opérationnelles relatives à l'utilisation des contacteurs de dérivation

Le premier point clé pour garantir le bon fonctionnement du système VFD/système de secours est de réaliser une évaluation complète afin de déterminer si les moteurs cibles nécessitent les deux sens (vitesse) avant et arrière. Un VFD ne nécessite qu'une seule entrée pour sélectionner le fonctionnement avant ou arrière. Dans le cas des composants à démarrage direct, le mode dérivation nécessite des contacteurs d'avance/de marche arrière et encore plus de câblage de commande.

Identifiez ensuite les cycles d'activation et de désactivation prévus des contacteurs de dérivation. Il peut être nécessaire d'utiliser des contacteurs surdimensionnés pour permettre un nombre maximal de cycles et maintenir les attentes en matière de production et de qualité du produit. Le cycle de mise en marche et d'arrêt des contacteurs du moteur peut permettre de reprendre la production, mais à une vitesse inférieure ou avec un niveau d'efficacité inférieur à celui souhaité. Pendant les procédures de test, assurez-vous que les moteurs tournent dans le sens souhaité à chaque sélection. Il est possible qu'un moteur connecté à un VFD finisse par tourner dans le sens inverse par rapport à lorsqu'il est connecté à un démarreur direct.

Certaines charges ne tireraient pas profit des contacteurs de dérivation pour des raisons purement physiques. Si la charge est extrêmement lourde, c'est-à-dire avec une inertie élevée, l'utilisation d'un contacteur ou d'un démarreur à démarrage direct peut entraîner des glissements de courroies ou des surcharges de courant. Pour ces charges, un dispositif de démarrage progressif peut être utilisé à la place d'un contacteur afin de limiter le flux de courant, mais il ne permettra pas une vitesse variable. Là encore, le défi consiste à fournir un système de secours adapté à votre VFD tout en comprenant les limitations qui peuvent en résulter.

Souvent, un seul VFD sera utilisé pour plusieurs moteurs, et une stratégie de contrôle en mode dérivation pour cette application peut utiliser un seul contacteur pour chaque moteur. La vitesse relative de chacun des moteurs sera déterminée par les volts et hertz (V/Hz) de sortie du VFD. Étant donné que tous les moteurs sont connectés à un seul VFD, ce V/Hz sera le même pour chaque moteur. Par conséquent, un VFD produisant 50% de V/Hz générera 50% de la vitesse de base de chaque moteur. Il est donc important de noter qu'un moteur avec une vitesse de base de 1800 tr/min fonctionnera à environ 900 tr/min, tandis qu'un moteur avec une vitesse de base de 1200 tr/min fonctionnera à environ 600 tr/min. En cas de défaillance du VFD, le système peut être actionné à l'aide d'un système de contrôle appelé « mise à l'échelle ». Grâce à la mise à l'échelle, il est possible de mettre en ligne ou hors ligne un seul moteur ou plusieurs unités afin de maintenir le point de consigne ou le fonctionnement souhaité. Cela peut ne pas être aussi productif que la vitesse variable fournie par le VFD, mais c'est souvent mieux que de ne pas fonctionner du tout. Notez qu'une planification minutieuse est nécessaire pour s'assurer que les moteurs ne sont pas activés et désactivés trop souvent afin d'éviter une surchauffe et une défaillance prématurée.

Considérations relatives à la sécurité et au câblage de commande pour les contacteurs de dérivation

Examinons certains aspects liés au câblage de commande des contacteurs de dérivation. La plupart des VFD ne tolèrent pas que la tension secteur soit réappliquée à leur sortie, où se trouvent les transistors sensibles. C'est pourquoi le contacteur de sortie du VFD et le contacteur de dérivation doivent être câblés et commandés de manière à éviter que cela ne se produise. Le moyen le plus direct d'y parvenir est d'utiliser des bobines électriquement entrelacées (voir figure). En utilisant des contacts auxiliaires normalement fermés dans chaque contacteur, la tension de commande de la bobine d'un contacteur spécifique doit d'abord passer par l'autre contacteur. De cette façon, seul un contacteur éteint ou « hors tension » fournira un chemin électrique complet pour que la tension de commande atteigne la bobine de l'autre contacteur.

Il est important de noter que les contacteurs de différents fabricants s'allument et s'éteignent (ce que l'on appelle également « effondrement ») à des vitesses différentes. Bien que ces temps soient de l'ordre de quelques millisecondes, un chevauchement dans lequel les deux contacteurs auraient leurs contacts fermés simultanément pourrait endommager la sortie du VFD. Pour éviter tout dommage dû à des vitesses de coupure différentes, seuls des circuits du même fabricant et du même type de famille ou de modèle doivent être utilisés pour ces contacteurs.

L'utilisation de verrouillages mécaniques constitue une protection supplémentaire. Il s'agit généralement d'un petit dispositif mécanique placé entre les contacteurs appariés qui empêche physiquement un contacteur de s'allumer ou de s'activer lorsque l'autre est déjà activé ou n'est pas encore désactivé. Le plus souvent, ces deux contacteurs sont le contacteur de sortie du VFD et le contacteur de dérivation. Étant donné que la sortie des deux contacteurs mène au(x) moteur(s), les bornes de sortie sont souvent reliées entre elles par des barres de pontage ou des câbles. Par conséquent, si les deux contacteurs sont activés en même temps, même brièvement, le courant brut circulera à travers le contacteur de dérivation, vers le contacteur de sortie du VFD et reviendra à la sortie du VFD. Le verrouillage mécanique est conçu pour éviter cela et offre un niveau de protection supplémentaire pour le VFD coûteux.

Utiliser ou ne pas utiliser des contacteurs de dérivation ?

Les variateurs de fréquence peuvent accomplir un travail remarquable en augmentant la production, en améliorant l'efficacité et en économisant de l'énergie. Cependant, ils sont souvent les premiers dispositifs à être blâmés lorsque quelque chose ne fonctionne pas correctement. De plus, si un système a bien fonctionné pendant des années avec une conception mécanique simple composée de contacteurs et d'une logique marche/arrêt, l'ajout d'un dispositif électronique à vitesse variable peut parfois représenter un défi pour les opérateurs actuels de la machine.

Le succès de l'ajout de VFD à ces systèmes réside dans l'intégration du nouveau et de l'ancien, tout en anticipant comment les deux peuvent être constamment améliorés pour atteindre une sécurité et une production maximales. Le fait d'avoir utilisé des contacteurs auparavant ne signifie pas qu'ils doivent être complètement éliminés dans la nouvelle conception. Ils peuvent être fusionnés avec les VFD afin de continuer à fournir un système de dérivation fonctionnel qui peut être utilisé lorsque cela est nécessaire. L'une des meilleures stratégies de prévention consiste à former le personnel de maintenance, y compris les opérateurs, à la gestion appropriée des appareils et aux modes de défaillance courants. Si le personnel de votre usine dispose de peu de temps ou de moyens, ou s'il hésite à relever le défi de concevoir et d'intégrer des VFD dans vos systèmes actuels, contactez des intégrateurs tiers ou des ingénieurs en automatisation pour obtenir de l'aide.

Se préparer aux scénarios de défaillance les plus graves dans les variateurs de fréquence

Tout système nécessitant à la fois un variateur de fréquence et un système de contacteurs de secours pour le mode dérivation doit prendre en compte les scénarios de défaillance les plus graves. Si le VFD tombe en panne, par exemple, et que le système bascule sur les contacteurs de dérivation, l'utilisateur peut créer une procédure permettant au personnel de maintenance de retirer le variateur pour le réparer sans avoir à éteindre complètement le système. Un système à trois contacteurs comprend généralement un contacteur d'entrée du VFD (qui peut être remplacé par un interrupteur de déconnexion), un contacteur de sortie du VFD et un contacteur de dérivation.

À ce stade, l'analyse des pannes est essentielle, car beaucoup seront tentés de pointer du doigt le matériel le plus complexe comme étant le coupable : le VFD. Les codes d'erreur fournis par le variateur de fréquence donneront des informations utiles sur la cause du problème. Assurez-vous que votre personnel de maintenance sait quels paramètres incluent l'historique des défaillances, afin qu'il puisse rechercher des schémas récurrents ou identifier ce qu'indiquait le dernier code d'erreur, au cas où celui-ci aurait été réinitialisé par un opérateur ou un technicien avant l'arrivée du personnel de maintenance.